专利名称：纺纱机钢丝圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纺纱机钢丝圈，更确切地说，涉及在纺纱机，例如在环锭纺纱机(环锭精纺机)或环锭捻丝机(环锭捻丝精纺机)中使用的纺纱机钢丝圈，其用一根硬钢丝或一根合金钢丝形成预定形状。
JP 7-81216 B揭示一种钢丝构成的钢丝圈，该钢丝在渗氮气体环境中经氧氮化处理，以改善由于钢丝圈高速运转而产生的抗摩性，钢丝圈表面形成厚度5至30μm的氮化合物层。
JP 61-446 B揭示一种结构，在该结构中为了改进与环锭的初始整合性，在与环锭接触的金属钢丝圈表面形成一种含二硫化钼的环氧树脂固体润滑剂涂层。
一般说来，在环锭捻丝机中，当现有钢丝圈被新钢丝圈替换时，从开始操作环锭捻丝机直至其达到正常捻丝操作的最大纺纱速度，由于抓住钢丝圈造成纱线断头，使它不能正常运行。有鉴于此，为了提供一种在钢丝圈使用初期使钢丝圈在正确位置与环锭接触的轨迹(也即形成一个磨损部分)，一个磨合运行被执行，在磨合运行中，使用初期钢丝圈以低于正常的旋转速度(在正常捻丝操作时的旋转速度)运行，然后旋转速度逐渐增加。
在如JP 7-81216 B中揭示的钢丝圈情况，改善抗摩性可由简单的增强钢丝圈表面硬度的方法来达到，与没有经过抗摩性处理的钢丝圈相比，形成适当工作表面后钢丝圈的运转寿命要长。然而，初始整合性却相当差，因此，为在钢丝圈上形成适当轨迹而进行的磨合运行所需时间也相当长。
如同在JP 61-446 B中揭示的初始整合性已改善的钢丝圈情况一样，当它在高于20,000转/分超高速旋转情况使用时，必须实施长时间的磨合运行，这将导致生产率和可操作性的下降。在如JP 7-81216 B揭示的钢丝圈情况，超高速运转时整合性非常差，因而可能使纱线断头。因此，作为在20,000转/分以上高速使用的钢丝圈没有实际价值。
因此，为了在超高速情况以稳定方式操作环锭纺纱机，不进行任何磨合运行允许钢丝圈在稳定位置运转所必不可少的轨迹能够形成，以及轨迹形成后钢丝圈滑动性能令人满意是重要的。
一般说来，在环锭纺纱机中，当金属钢丝圈在金属环锭上滑动时损坏相对小些，尽管事实是当把一种特殊润滑材料加在钢丝圈和环锭之间滑动表面时，卷线不受影响。现在假定这是由于纱线的部分纤维(绒毛)被分离并进入钢丝圈的滑动表面，暂时形成一个润滑剂薄膜。该润滑剂薄膜一旦形成，由于钢丝圈的滑动从而逐渐消失，但是纤维重新进入滑动表面又形成一个润滑剂薄膜，该循环不断重复。另外，当钢丝圈的姿态不稳定时，形成的润滑剂薄膜容易分离，而在没有润滑剂薄膜的情况，钢丝圈的磨损加快。因此，为了减少磨合运行所需时间，钢丝圈必须在早期阶段就能以稳定姿态滑行。
目前，如图8中所示的一个钢丝圈20是作为高速运转期间帮助加强姿态稳定性的钢丝圈来使用。与钢丝圈20配套的环锭21在其内侧具有一个直径向上减小的锥形表面21a，且在其上端具有一个弧形倾斜部分。另外，与将钢丝大体上弯成C字形状的钢丝圈不同，钢丝圈20用一根钢丝制成，展现出如图9A至9C所示扁平的矩形截面形状。它有一个能与环锭21的锥型表面21a滑动接触的平坦部分20a，因而大体为C字型的锁定部分20b连接到它的一端。图8是一个显示与此有关的钢丝圈20和环锭21之间关系的部分截面示意图。
如图8所示，在纺纱操作期间，由于离心力的作用，所述钢丝圈20的平坦部分20a与环锭21的锥型表面接触；在纺纱操作停止期间，所述钢丝圈20的锁定部分20b与所述环锭21的外表面接触。图9A至9C是透视示意图，其中图9A显示钢丝圈20上已形成一个适当轨迹(磨擦轨迹)22；图9B显示由于过度地磨掉平坦部分20a所形成的轨迹22；而图9C则显示与环锭滑动接触的整个钢丝圈20已被过度磨掉的一种情况。
用常规钢丝圈20，当纱锭以20,000转/分或20,000转/分以上旋转速度不执行任何磨合运行而进行纺纱操作时，状态如图9B和9C的结果所示，因而磨合运行是不可缺少的。
当纱锭以25,000转/分或25,000转/分以上旋转速度执行超高速纺纱操作时，即使通过磨合运行在早期阶段形成合适的轨迹，由该钢丝圈决定的如图9B和9C所示的不适当的磨损也可能发生。另外这种钢丝圈可能造成纱线断头。
更换钢丝圈必须同时在所有纱锭上进行。因为如果一个一个更换，就会在早期阶段开始磨损钢丝圈并造成纱线断头，对每次更换一个纱锭的磨合运行，可能必须降低纱锭的旋转速度，将导致生产率下降。因此当纱线断头频率达到某种程度时，必须同时换掉所有钢丝圈，包括还没有超过运转寿命的钢丝圈。因此当纱锭旋转速度高达25,000转/分或25,000转/分时，钢丝圈的更换周期相当短；在钢丝圈需要磨合运行的情况，这将导致生产率的降低和恼人的纱线断头控制。
为了达到上述目的，按照本发明的第一个方面，提供一种用钢丝或合金丝形成一定形状的纺纱机钢丝圈，在其中基底材料上形成一个氮化合物层和一个硫化物层，使氮化合物层贴在基底材料一边。基底材料、氮化合物层或硫化物层之间的边界不一定清晰。基底材料变成氮扩散层，氮至少在靠近该层的外面部分扩散，并且在多数情况下，在氮化合物层和硫化物层之间的边界附近，硫化物成分在氮化合物层中扩散。
在所述纺纱机钢丝圈中，硫化物层的硬度最低，氮化合物层的硬度最高。基底材料的硬度低于氮化合物层但高于硫化物层。当一个新钢丝圈使用时，在早期阶段不必执行磨合运行就在最外边的硫化物层形成适当的初始轨迹。当硫化物层被磨掉时，氮化合物层即与环锭接触。在这种情况下，与以前的技术相比，钢丝圈的滑动力减少了，使它能以更稳定的方式执行纺纱操作。结果，从开始使用它就能以期待的最高速度执行纺纱操作，并且能延长该钢丝圈的运转寿命。
按照本发明的第二个方面，提供一种用钢丝或合金丝形成一定形状的纺纱机钢丝圈，在其中基底材料上形成一个氮化合物层和一个硫化物层，使氮化合物层贴在基底材料一边，并且在其中硫化物层的外表面形成一个固体润滑剂材料层。在所述纺纱机钢丝圈中，在该钢丝圈的最外层形成一个固体润滑剂材料层，摩擦系数就非常小。此外，它的硬度比硫化物层低得多(低一个或两个数量级)，因此在初始使用阶段该钢丝圈的整合性就得到改善，一个适当的轨迹在早期阶段形成且初始滑动性能进一步稳定。
按照本发明的第三个方面，提供一个按照本发明第一方面的纺纱机钢丝圈，其中由硫氮化处理形成氮化合物层和硫化物层。在所述纺纱机钢丝圈中，能够容易地形成硬度合适的氮化合物层和硫化物层。
按照本发明的第四个方面，提供一个按照本发明第三方面的纺纱机钢丝圈，其中硫氮化处理是气体硫氮化处理。在所述纺纱机钢丝圈中，与盐浴硫氮化处理比较，条件等等能更容易地改变，且不需要氰化物，因而无须处理毒性物质氰，使得它不必进行氰的处理操作。
另外，如
图1B所示，该钢丝圈11由一根硬钢丝、一个氮化合物层13和一个硫化物层14组成的基底材料12构成，使氮化合物层13贴在基底材料12一边。氮化合物层13和硫化物层14由在原料钢丝圈上进行硫氮化处理形成。因此基底材料12和氮化合物层13之间的边界，以及氮化合物层13和硫化物层14之间的边界不必清晰。氮被扩散至少进入基底材料12靠近其外围的部分形成氮扩散层，而进入钢丝圈11环芯的情况则取决于该钢丝圈的厚度。另外，在氮化合物层13和硫化物层14之间的边界附近，硫的成分扩散进氮化合物层中。
该钢丝圈的厚度例如为0.4mm，氮化合物13的厚度例如为10至30μm，硫化物层14的厚度例如为2至5μm。当氮化合物层13的厚度超过30μm时，该层变脆，这是要不得的。使硫化物层14的厚度过分薄将导致无效。另一方面，增加厚度，只会增加成本而效果变化不大。基底材料(氮扩散层)12的平均硬度为Hv(维氏硬度)450至550，氮化合物层13的平均硬度为Hv 700至900，而硫化物层14的平均硬度为Hv 300至400。
在该实施例中，硫氮化处理是通过气体硫氮化处理来执行的。气体硫氮化处理是将钢丝圈11放入炉中在580℃进行。处理条件例如如下第一个小时钢丝圈11保持在N2气气氛中以便均匀加热钢丝圈11。此后，在N2气、NH3气和N2S气的混合气体气氛中保持4小时以经受硫氮化处理。然后冷却。N2气、NH3气和N2S气混合气体的体积比是2∶4∶0.12到0.13。
其次将描述如上面介绍形成的钢丝圈11的运转。由于硬度为Hv 300至400的最外面的硫化物层14的润滑作用，钢丝圈11展现满意的初始整合性。因此，当环锭精纺机的纱锭在正常纺纱操作期间的最大旋转速度为20,000转/分或20,000转/分以上时，即使在钢丝圈11开始使用时无磨合运行也能进行纺纱操作，一个轨迹(磨损轨迹)15迅速且稳定地形成。
另外，由于硫化物层14里边有硬度为Hv 700至900的氮化合物层13，该钢丝圈的抗摩性得到改善，抗粘性变得满意，因此防止磨损轨迹15迅速扩展。此外，由于在基底材料12上形成氮扩散层，该钢丝圈的滑动性能和韧性变得满意，甚至当氮化合物层13被磨掉，钢丝圈11与基底材料12接触时，它也能长时间保持低的滑动力并能延长运转寿命。此外，由于具有中等硬度和满意的韧性，该钢丝圈能在高速旋转时经得住冲击负载。
本发明所述钢丝圈是由在倾斜型钢丝圈11上通过气体硫氮化处理形成氮化合物层13和硫化物层14而获得，为了比较本发明的钢丝圈与常规钢丝圈，在两种钢丝圈上进行了滑动力测量。
此处，术语滑动力指钢丝圈在环锭上旋转时施加在钢丝圈与环锭之间的摩擦力。图2显示对本发明的钢丝圈、常规钢丝圈(具有固体润滑剂涂层)以及只经过氮化处理的钢丝圈在纱锭旋转速度为25,000转/分时所获得的测量结果。图中，垂直轴表示滑动力(单位N)，水平轴表示(消逝)时间(以30秒刻度)。如图2所示，在常规钢丝圈中，初始滑动力在0.16至0.32N较大范围内波动，达到稳定所需时间很长。在本发明的钢丝圈中，初始滑动力的波动范围小至0.10到0.19N，而且达到稳定所须时间不长。此外，稳定时平均滑动力约为0.12N，这意味从常规钢丝圈约0.16N的平均滑动力下降了25％。在只经过氮化处理的钢丝圈情况，初始滑动力非常大，这意味它不可能在超高速范围使用。
图3显示纱锭旋转速度为25,000转/分的纺纱操作期间，当落纱被重复时，在本发明的钢丝圈和常规钢丝圈(具有一个固体润滑剂涂层)上滑动力变化的测量结果。执行5次落纱后所得测量结果显示，本发明钢丝圈的滑动力基本上稳定在不大于0.13N的水平，而常规钢丝圈的滑动力基本上稳定在0.16N左右。这就是说，与常规钢丝圈相比，本发明的钢丝圈可以保持在滑动力的下降稍微小于20％的状态。
图4显示，当纱锭以20,000转/分的旋转速度执行纺纱操作时，磨损度变化的测量结果。此处，术语磨损度指假定需要替换的钢丝圈的磨损限值为100时的磨损程度。该测量结果显示，即使经历常规钢丝圈替换周期的两倍-70天后，本发明钢丝圈11的磨损只是限制值的70％。
该实施例提供以下优点(1)因为硬钢丝形成的钢丝圈11的最外层是硫化物层14，由于它的润滑作用，初始整合性令人满意，而且即使当纺纱操作以20,000转/分或20,000转/分以上的超高速执行时，它也能快速而稳定地形成适当的轨迹15。
(2)由于在基底材料12和硫化物层14之间存在硬度为Hv 700至900的氮化合物层13，改善了抗摩性。
(3)因为至少在靠近氮化合物层13附近的一部分基底材料12形成氮扩散层，该钢丝圈能长时间保持一个低滑动力状态并能经得起冲击负载。
(4)由于(1)至(3)的作用，即使当纱锭在25,000转/分或25,000转/分以上的超高旋转速度执行纺纱操作时，也能在钢丝圈11开始使用时摆脱磨合运行并能延长运转寿命。在20,000转/分条件下，它能够获得常规钢丝圈两倍或两倍以上的运转寿命。
(5)因为氮化合物层13和硫化物层14通过硫氮化处理形成，具有适当硬度的硫化物层14和氮化合物13能很容易形成。此外，基底材料12、氮化合物层13和硫化物层14之间的边界不清晰，而且把各层形成为使得硬度梯度逐渐改变，以至当硫化物层14或氮化合物层13被磨掉时，钢丝圈11滑动力的快速变化被抑制了，因此进一步延长了钢丝圈11的运转寿命。
(6)由于硫氮化处理是一种气体硫氮化处理，与盐浴硫氮化处理比较，条件等等可以更容易改变，而且不需要氰化物，因而不必处理毒性物质氰，氰的处理操作变得不必要。
(7)在进行硫氮化处理时，硫化处理和氮化处理不是分别进行而是在一个过程中进行，因而简化了处理过程。(第二实施例)其次将参照图5和图6描述第2个实施例。如图5所示，该实施例不同于第1个实施例，在该实施例中，一个固体润滑剂层16在钢丝圈11的硫化物层14外表面形成。另外，该实施例和第一个实施例结构相同。
固体润滑剂层16由扩散主要成分为石墨的固体润滑剂进入环氧树脂并将如此获得的混合物施加在钢丝圈11的表面而形成，该钢丝圈如第1个实施例一样经过硫氮化处理，并(作为衬里)以固体润滑剂材料衬托。这种施加通过滚筒式方法实现。该固体润滑剂层16的Hv硬度远小于几十倍。
由于最外面固体润滑材料层16的存在，该实施例的钢丝圈11在最外层为硫化物层14的整个结构上的润滑功能和初始整合性均得到改善，因此即使当以25,000转/分或25,000转/分以上的超高速执行纺纱操作时，与第1个实施例相比它能更快更稳定地形成一个适当的轨迹15。结果在旋转速度为25,000转/分或25,000转/分以上时，初始滑动状态进一步稳定。
图6显示在纱锭旋转速度为25,000转/分时，钢丝圈11滑动力的测量结果。图中，垂直轴表示滑动力(单位N)，水平轴表示(消逝)时间(以30秒刻度)。如图6所示，在该实施例的钢丝圈11中，开始使用阶段滑动力没有大的波动。稳定状态的平均滑动力约为0.10N，这意味与第1实施例相比，滑动力略有减少。因此，该钢丝圈11的抗摩性进一步改善。
上述两个实施例不应限制性地解释，例如下述修改是可能的。
在形成第2个实施例的固体润滑剂材料层16时，所用的固体润滑剂材料并不限于石墨。也能使用某些其它固体润滑剂材料，例如二硫化钼。
作为形成固体润滑剂材料层16的树脂，也能使用热固树脂而不使用环氧树脂。
施加固体润滑剂材料层16的方法不限于滚筒式方法，也可使用喷雾施加法。
作为硫氮化处理，也能采用盐浴硫氮化处理，代替气体硫氮化处理。
替代在一个过程中同时进行硫化处理和氮化处理，也能在两个过程中进行硫化处理和氮化处理。在这种情况，氮扩散层在基底材料12上形成。在氮化合物层13和硫化物层14之间的边界附近，氮或氮化合物在硫化物层14中扩散区域的产生，或者硫或硫化物在氮化合物层13中扩散区域的产生均不易出现。
钢丝圈11的形状并不限于倾斜式。如图7中所示，本发明也可应用于C型钢丝圈11。
下面为本发明内容(技术构思)，而不是从上述两个实施例所能领会的所要求保护的。
(1)如权利要求1到4中之一所要求的，在靠近氮化合物层的至少一部分基底材料形成为氮扩散层。
(2)如权利要求1到4之一所要求的，硫化物成分在靠近边界的一部分氮化合物层中扩散，并且它的硬度连续变化。
(3)如权利要求2中所要求的，固体润滑剂材料层包括主要成分为石墨或二硫化钼的固体润滑剂材料扩散进环氧树脂所获得的材料。
(4)如权利要求3或4中所要求的，硫氮化处理包括硫化处理和氮化处理同时进行的一种处理方法。
在本说明书中，氮化合物层13不必包括氮化合物单独形成的一个层；它也可包括含有这样一个区域的层硫或硫化物在该区域扩散。此外，硫化物层14不必包括硫化物单独形成的层；它也可包括含有这样一个区域的层氮或氮化物在该区域扩散。
如上面详细描述那样，按照权利要求1至4所要求的本发明，即使纱锭以25,000转/分或25,000转/分以上的超高速执行纺纱操作，也能在钢丝圈开始使用时摆脱磨合运行并能延长它的运转寿命。
权利要求
1.一种纺纱机钢丝圈，其包括由硬钢丝或合金钢丝组成的基底材料；设置在基底材料外边的氮化合物层；设置在氮化合物层外边的硫化物层。
2.根据权利要求1的纺纱机钢丝圈，还包括设置在硫化物层外边的固体润滑材料层。
3.根据权利要求1的纺纱机钢丝圈，其中氮化合物层和硫化物层通过硫氮化处理形成。
4.根据权利要求3的纺纱机钢丝圈，其中硫氮化处理包括气体硫氮化处理。
全文摘要
本发明披露了一种纺纱机钢丝圈，其中即使当纱锭以25,000转/分以上的超高速执行纺纱操作时，也能在钢丝圈开始使用时摆脱磨合运行并能延长它的运转寿命。该钢丝圈由硬钢丝组成的基底材料、氮化合物层和硫化物层形成，并且氮化合物层设置在基底材料一边。氮化合物层和硫化物层由在弯曲成钢丝圈状的硬钢丝上进行硫氮化处理而形成。基底材料、氮化合物层和硫化物层之间的边界不必清晰。氮被扩散至少进入基底材料靠近其外边的部位，形成氮扩散层，而进入基底材料芯内的程度取决于该钢丝圈的厚度。在氮化合物层和硫化物层之间的边界附近，硫化物成分扩散进入氮化合物层。
文档编号D01H7/60GK1420220SQ02160640
公开日2003年5月28日 申请日期2002年11月5日 优先权日2001年11月5日
发明者清木和夫, 前田浩司 申请人:株式会社丰田自动织机